Exsolved Alloy Nanoparticles Decorated Ruddlesden–Popper Perovskite as Sulfur-Tolerant Anodes for Solid Oxide Fuel Cells

阳极 材料科学 金属陶瓷 钙钛矿(结构) 氧化物 合金 纳米颗粒 电解质 化学工程 固体氧化物燃料电池 硫黄 纳米技术 冶金 化学 电极 陶瓷 物理化学 工程类
作者
Haidong Li,Yufei Song,Meigui Xu,Wei Wang,Ran Ran,Wei Zhou,Zongping Shao
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:34 (9): 11449-11457 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.0c02228
摘要

Solid oxide fuel cells (SOFCs) based on Ni-based cermet anodes suffer from severe sulfur poisoning when operated on H2S-containing fuels (<10 ppm of H2S). Thus, the development of alternative anodes is of great importance. Perovskite oxides with Ruddlesden–Popper (RP) structure show great potential as sulfur-tolerant anodes in SOFCs; however, the electrocatalytic activity has not been satisfied until now. Herein, we propose a design strategy for the fabrication of alloy nanoparticles decorated RP perovskite through in situ exsolution using La0.6Sr0.4Ni0.2Mn0.2Fe0.6O3−δ and La0.6Sr0.4Co0.2Mn0.2Fe0.6O3−δ as the precursors. The formation of FeNi/FeCo alloy nanoparticles and their atomic ratios (Fe3Co2, Fe3Ni2) is confirmed. The Fe3Co2/La1.2Sr0.8Mn0.4Fe0.6O4−δ (RP-LSMF) anode displayed superior electro-activity for H2 oxidation and excellent sulfur resistance to those of Fe3Ni2/RP-LSMF due to the higher amount of exsolved nanoparticles and the stronger interaction between exsolved nanoparticles and perovskite host. An electrolyte-supported SOFC with Fe3Co2/RP-LSMF anode delivers high peak power densities of 632 and 566 mW cm–2 when operated on H2 and 200 ppm of H2S–H2 at 800 °C, respectively. Furthermore, the cell with Fe3Co2/RP-LSMF anode delivers a superior operational stability to that of Fe3Ni2/RP-LSMF in 200 ppm of H2S–H2 fuel. This work can present some useful guidance for the rational design of sulfur-resistant RP perovskite-based anodes for SOFCs.

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